结构化设计在公路桥梁设计中的应用分析

[ 作者简介 ]

张丹伟，女，河南郑州人，河南省交通规划设计研究院股份有限公司，中级工程师，硕士，研究方向：桥梁设计。

[ 摘要 ]

公路桥梁工程是一项非常重要的工程，它的安全性是非常重要的，因此在实际的公路和桥梁的设计中，结构化的设计将会发挥出更大的作用，其应用效益也更加突出。文章主要围绕结构化设计模型在公路桥梁设计中的运用原理和具体运用要领进行简要的分析和讨论。

[ 关键词 ]

结构化设计;公路桥梁;设计应用

公路桥梁工程在我国目前的社会发展中起着越来越重要的作用，要加强对公路桥梁的建设，以保证公路桥梁的建设能够为社会的发展提供有力的支持。在公路桥梁工程中，设计是一个非常重要的环节，要考虑到方方面面，所有的设计都要做到规范和切实可行，特别是基础结构和防水层的设计，这就涉及结构化的设计问题，要通过结构化的方式来进行设计，才能更好地发挥作用。

1 结构化设计简介

1.1 概论

结构化设计在桥梁设计中的应用，包括离散化、模型化、简化的计算模型等。这种离散结构的特点是将桥梁进行分段，形成相对独立的结构，便于有关人员进行分析，从而方便工程的设计和施工。在设计桥梁时，首先要进行精确的机械分析，归纳出结构的规律，找到其中的矛盾，然后再进行深入的分析，最终将设计的桥梁形象以直观的方式呈现出来。简化的计算模式主要是为了使桥梁的荷载和施工所需要的材料尽可能地减少。在桥梁设计中，通常会假定建筑材料具有较好的弹性和塑性，并利用有限的参数进行任意加载，从而可以有效地减少荷载和材料的计算，提高工作效率，确保工程质量。

1.2 公路桥梁结构化设计的重要意义

在过去的公路桥梁设计工作中，设计者根据自己的经验，首先对项目的总体情况做出判断，比如材料的选用、结构尺寸的确定和生产方法的选择，再进行结构分析，然后进行机械试验，确定结构的可行性，再进行修改，尤其是砂石、钢材、混凝土等材料的质量，对出厂信息、规格、等级等进行验收，保证施工的安全性。然而，由于国内的桥梁设计工作日益繁杂，原有的设计方法已不能满足当前的需求，同时也很难进行优化，因此要从整体上进行设计，在设计阶段采取模块化的方法，在施工过程中根据具体的地质情况进行调整，从而提高设计的精确度。

2 结构化设计的模型

2.1 离散式模型

在进行结构化设计时，需要把结构的无限自由度转换成有限的自由度。因此，要对整个系统进行分解，也就是所谓的离散结构化设计。采用这种方法，不仅可以确保不同结构间的作用力，而且可以把握住主体的矛盾，使设计内容更加简单。

2.2 模型化结构

公路桥梁的设计要根据力学的基本规律来分析各种结构之间的内在规律，而结构化设计则可以把握住主体的矛盾，对其进行建模，使整体的设计更为具体，便于工程的正常进行。在进行结构化设计时，一般都会假定结构的材料是理想的，并以有限的参数来模拟任意的载荷。这些有限参量既可以是随机的，也可以是解析的。结构化的设计不仅可以简化材料的计算，还可以方便地对结构进行预应力分析。

2.3 道路桥梁荷载设计

在承载能力的限制条件下，根据不同的载荷，对其进行变形;根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》，对预应力和预应力状态进行检测，并根据荷载分项因子进行分析。为了使计算结果与实际情况相符合，对计算模型的选择要谨慎，以确保所选的计算模型真实地反映出其真实的力学状态。在选择计算模式时，应充分考虑结构化设计对桥梁结构的影响，并对其进行具体的分析，以确定最佳的计算模式。

3 常用的结构化设计计算方法

3.1 图解法

該方法的基本思路是以两个不同的设计参数作为横向轴，根据变数的作用画出相应的坐标系，通过变数的不等式得到两个变元在坐标系中的限制域，得到该方程的等高线，并通过求解该方程的切点得到该方程的值。现在普遍采用的是图形化的算法。

3.2 求解函数极值

在结构化设计中，最优解的方法是把设计变量的不等式转换成方程，然后求出其最优解。

3.3 同态设计法

同态设计方法仍需将不等式转换成方程，以减少设计空间，便于求解。同态设计方法虽然不能与原始值相比，但是它能简化结构化设计的求解，所以在实际中仍有广泛的应用。

3.4 网络搜索方法

网络检索是一种相对简单的方法，具有更直接的优势，可以在很短的时间内找出最佳的结构化设计方案，但缺点是计算起来比较烦琐，通常的操作过程是将问题分解为网格，然后根据特定的规则，从一个特定的点出发，确定一个变量，然后逐级地进行检验，并根据一定的次序进行求解，直至得到最优解。

4 高速公路桥梁结构化设计的应用

在公路桥梁工程设计中，采用结构化设计是非常必要的，它可以更好地从多个角度考虑整个工程，更好地解决公路桥梁的设计问题。在公路桥梁的设计中，结构化设计的应用主要包括以下几方面。

4.1 结构化设计在防水层设计中的应用

在公路桥梁设计工作中，防水层的建立是一项相对重要的基础工作，它在今后的公路桥梁中具有很大的作用，因此要保证其设计的合理性和可靠性。在实施防水层设计时，要着重提高后期排水问题的处理效率，提高整体桥面的防渗性能，这就不可避免地要考虑到整个公路桥梁结构的设计和施工要求。在进行防水层的结构化设计时，要考虑到与防水要求有关的各方面，防止与防水有关的因素不能及时得到处理，从而达到防水的目的。在公路桥梁工程中还要进行精细的设计，以保证其与路面结构的良好结合，防止掉皮和脱皮;而与防水层有直接联系的排水管线则要根据公路桥梁的整体结构进行合理的设计，使相应的公路桥梁能够通过排水管道及时排除水分，从而降低积水发生的概率。

4.2 混凝土的结构化设计要点

4.2.1 加固钢筋混凝土防护层的厚度

由于钢筋混凝土是一种很常见的复合结构材料，为了保证其施工质量，在设计时要采用加固措施，以避免钢筋混凝土的锈蚀，从而使其在使用中更安全。

4.2.2 与混凝土的耐久性特征相一致

混凝土的耐久性是影响公路桥梁工程质量与寿命的重要因素，但在目前的混凝土工程中，许多施工单位为了追求自身的利益，往往在混凝土工程中存在着偷工减料、忽视整体结构的问题。因此，在进行结构化设计时，应注意保证其耐久性，并合理调配、拌和，以保证工程质量。

4.3 结构化设计在设计方案优化中的应用

在公路桥梁工程的设计中，最重要的是要保证设计方案的可行性，特别是要对桥梁的各项性能进行细致的研究。比如风荷和汽车的荷载，都要考虑到目前的设计方案，看看它的实用性，这样才能更好地提高它的使用寿命，降低它的安全风险。另外，为了保证整体结构的稳定性，要对整个公路的结构进行全面、连续的分析，特别是在某些薄弱的地方，要加大检查和分析的力度，以保证整个结构的安全。结构化的设计要掌握每一个基础的细节，将以前出现过裂纹和脆性断裂的地方都做详细的分析，保证设计方案的可靠性。

在实际工程中，由于采用了多种不同的结构模型，设计者要建立相应的计算模型，使其结构参数得以合理确定，并按指标要求进行施工，才能提高工程质量。在不同的结构模式中，离散结构是设计人员合理利用的一种形式。由于该方法具有较大的灵活性和易于实现的特点，使得该结构模式得到了广泛的应用。

4.4 计算的结构化计算

在进行结构化设计时，应根据自身的特点，合理地选择结构化的设计方法，合理地进行结构化的设计，科学地进行结构化的计算，掌握相关的资料，并使其标准化。通常在结构计算时，设计者都会采用图形化的方式来进行计算，而这一方式主要是采用纵轴的基本原理。在此基础上，采用横向、纵向两个准则来确定任意两个变量，并以变量的变化为基础进行绘图，将变量的资料与可变的函数不等式相结合。设计者需要掌握相应的坐标系统，以求出特定的构造位置，并据此有针对性地求出目标函数的等高线和相对目标函数值。

4.5 安全性设计

安全生产是高速公路、桥梁施工中的一个关键环节。要保证工程的质量、效益和成本，必须严格执行工程的各项安全指标。因此，在工程设计中，强化安全设计是十分必要的。不仅要从材料规格、质量、配比、技术应用和施工工序等多个环节上进行强化，以保证施工中的安全，而且要重视施工各个环节的安全，并要结合工程的具体情况，综合分析各环节对施工安全的影响，依据不同的因素进行合理的施工，避免施工中出现安全风险，对施工的顺利进行产生不利的影响。

4.6 合理使用各种结构化模型

由于采用了多种不同的结构化模型，设计者需要建立相应的计算模型，并能对公路桥梁进行结构参数的确定，按照指标要求进行施工，以提高公路桥梁的建设质量。这种结构化的结构模式是许多结构化模型中的一种，它可以使结构化模型更加自由，而且在转换过程中不会有太大的影響。在使用这种结构的过程中，设计者还可以将相应的力学知识与理论知识相结合，以达到控制结构的目的，减少结构问题，提高结构的整体性能，提高桥梁的施工质量。

4.7 荷载分析设计

荷载是公路桥梁设计中的一个关键问题。荷载会使桥梁的耐用性和稳定性下降，对结构造成损害。针对当前存在的超限问题，认为当前公路桥梁存在三种超限现象：一是由于公路桥梁运行周期太长;二是目前的交通状况已超出设计的交通流量;三是汽车经常超负荷。长时间的高负荷运行会使路面结构产生应力，长此下去会导致结构的严重损坏，甚至不能进行维修，对以后的行车安全有很大影响。另外，在桥梁的后期运行工况下，可以对桥梁的荷载进行科学的控制，而不会发生超载现象，而且由于外部环境的作用，桥梁的内部结构会发生较大的变形，对桥梁的耐久性、安全性等产生不利的影响，甚至会导致桥梁的变形、开裂，严重影响桥梁的安全性和耐久性。为此，有关部门要加强对公路桥梁超员现象的重视，科学地控制交通流量，及时控制交通违法行为。

4.8 桥梁结构化设计与BIM+信息化技术的集成

在桥梁结构化设计中，运用BIM+信息化技术，可以有效地避免工程建设中造成的资源浪费和经济损失。运用BIM技术中的参数化结构原理与系统装备，在现代信息技术的支持下，迅速构建三维模型，进行参数化仿真施工，将传统的粗糙的现场施工改造为精密的数字化安装，可以有效减少资源损耗，提升工程建设速度和质量，规避各种施工安全事故。在工程实践中，运用BIM技术和信息技术进行参数化建模，能够提高各种参数的精度，并对各个部件的指标进行精确的计算，从而提高工程的结算质量。在BIM+信息化技术的大背景下，通过可视化技术的特性，可以更直观、更细致地向施工者展示设计意图，从而使施工人员能够更好地掌握各种技术参数和技术要求。此外，通过BIM+信息化技术的应用，使施工单位能更好地对项目中的各个构件和现浇组合方案进行合理的论证，从而保证项目的整体质量。

4.9 装配式桥梁与结构化设计的结合

我国现有的桥梁多为整体现浇，而结构型的结构则多为复合。与常规桥梁相比，拼装桥在缩短工期和减少交通堵塞方面以及确保工程质量、节约人力、节约能源、降低环保、增加工程安全方面有着显著的优越性。在我国，目前较为完善的是完全预制组装工艺。全预型梁是在工厂或预埋场进行集中装配;混凝土桥就地组装。在建筑结构设计中，主要是桥墩的设计，包含预应力接头装置的设计，即对预制装配柱进行装配，还有顶梁式结构接头及装置，例如连接套管、波纹膨胀节、波纹换热器等，其构造形式能更好地适应圆柱形盖梁的装配需求。笔者在对预制节段进行应力分析的基础上，确定了影响其关键的因素，并讨论了其工艺及装备的使用，从而得出了合理的结构参数及吊装方案。

5 结束语

总之，在具体的设计工作中，如何有效地运用结构化的设计方法是非常重要的一环，通过结构化的方法，可以更好地解决桥梁的设计问题，提高桥梁的设计水平，避免出现问题，符合当前复杂公路桥梁工程的新要求，应在未来加大推进应用力度。

参考文献

[1]胡启荣，孙建国. 结构化设计在道路桥梁设计中的应用[J]. 城市建设理论研究（电子版），2018（12）：144.

[2]陈卫健. 结构化设计在道路桥梁设计中的实践浅析[J]. 中国标准化，2017（10）：148，150.